基于多DSP+FPGA的衛星遙感圖像壓縮系統設計

　　2.3 接口設計

　　線陣CCD相機圖像灰度數據以串行方式及LVDS信號電平輸出。為了便于DSP串口接收，由FPGA進行電平轉換，并依據相關串行協議進行時序轉換。而壓縮圖像編碼則經DSP串口輸出，由FPGA進行電平轉換，并依據壓縮機輸出接口時序進行相應的轉換。

　　遙控機輸出線有指令線、地線，在使用端上拉。指令整形輸出后如需要負脈沖可再外加一級反相器或在FPGA內部實現。遙測接口分為模擬遙測、數字遙測和數據遙測三部分，模擬遙測主要針對電源(5V、1.5V、1.4V等)進行遙測，遙測輸出電平為0～5V;數字遙測主要對分機中關鍵器件工作狀態進行遙測，遙測輸出電平為TTL電平;數據遙測主要對內部運行狀態進行遙測。

　　3 壓縮算法在DSP實現中的關鍵技術及并行處理

　　3.1 C6000系列CPU結構與流水線

　　C6000系列CPU采用哈佛結構，指令取指與執行可以并行運行。程序總線寬度為256bit，每一次取指操作都是取8條指令，成為一個取指包。取指、指令分配和指令譯碼都具備每周期讀取并傳遞8條32位指令的能力。C64xx系列CPU有兩個數據通路A和B，每個通路有4個功能單元(.L、.S、.M和.D)，不同的8個功能單元中的指令均可并行執行。

　　現代微處理器把指令分成幾個子操作，每個子操作在微處理器內部可由不同的部件來完成。在同一時間內，可有多條指令交迭地在不同部件內處理，這種工作方式就是“流水線”(pipeline)工作方式。TMS320C6000的特殊結構可使多個指令包(每包最多8條指令)交迭地在不同部件內處理，大大提高了微處理器的吞吐量。

　　3.2 數據類型轉換與數據溢出問題

　　TMS320C6000系列DSP的數據打包處理技術，可以使用寬長度的存儲器對短字長的數據訪問，這樣可使編譯出的代碼性能顯著提高。壓縮算法在DSP實現中，采用short代替int來存儲圖像像素值和變換后的系數，并確保不會產生數據溢出。

　　對|T|的每一行求和，最大為2.8284。進行行列兩次變換，最終變換系數最大為圖像像素值的8倍。當圖像像素占8位或10位時，包括符號位1位，16位存儲變換系數不會溢出。

　　3.3 并行計算

　　壓縮算法核心軟件結構如圖4所示。

　　各子函數采用匯編語言編寫，在C6000系列DSP中優化代碼的關鍵是如何實現代碼的并行。針對C64XX系列處理器的指令特點，采取以下并行處理措施：

　　(1)雙通路。處理系數平均安排，分別分布在A、B兩通路;

　　(2)數據打包處理技術。用LDW和STW一次讀取和存儲兩個16位系數;

　　(3)半字操作指令。每條指令處理兩個16位系數;

　　(4)多功能單元。兩通路內各8個系數的計算充分利用L、S、M和D四個功能單元。

　　4 實驗結果與結論

　　以一組40幅中科院遙感所提供的1024×1024×8圖像為樣本，用4：1和8：1兩種壓縮比，對遙感圖像壓縮系統樣機進行測試。測試結果如下：

　　(1)壓縮比為4：1時，PSNR平均40dB以上，最低38dB;壓縮比為8：1時，PSNR平均35dB以上，最低32dB。

　　(2)對1024×1024×8圖像，壓縮比為4：1時，單DSP處理時間在64ms以下;壓縮比為8：1時，單DSP處理時間在48ms以下，為優化前時間的1/30。

　　(3)單DSP內部RAM能滿足2路相機數據及中間系數緩存要求;

　　(4)單路功耗在0.5W以下，整機功耗不足15W。

　　結果表明，數據壓縮系統設計合理，實際工作能滿足圖像質量和高速實時處理要求。但從人工判圖的結果看，8：1壓縮時，算法小目標保持情況不如JPEG2000。系統目前已進入初樣階段，希望在算法尤其是編碼算法上繼續研究并優化，進一步提高圖像質量。